Procesos de Sujeción y Ensamble

Ing. Luis Alberto Bernal
Adaptado por:
Procesos Básicos de
Sujeción y Ensamble.
Capitulo 1.
INTRODUCCION

Definición de manufactura
Como campo de estudio en el contexto moderno, la
manufactura se puede definir de dos maneras: una
tecnológica y la otra económica. En el sentido
tecnológico, la manufactura es la aplicación de procesos
físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o
apariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o
productos, según lo ilustra la figura 1.1a); la manufactura
también incluye el ensamble de piezas múltiples para fabricar
productos.
En el sentido económico, la manufactura es la transformación
de los materiales en artículos de mayor valor por medio de una
o más operaciones de procesamiento o ensamblado, según lo
ilustra la figura 1.1b)

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Al revisar diversos productos a nuestro alrededor, notamos que
algunos de ellos cuentan con un solo componente, como los
sujetadores para papel, clavos, bolas de acero para
rodamientos, grapas, tornillos y pernos. Sin embargo, casi
todos se ensamblan a partir de componentes que se han
manufacturado como partes individuales. Incluso los productos
relativamente simples constan, cuando menos, de dos partes
diferentes unidas por distintos medios. Por ejemplo: (a)
algunos cuchillos de cocina tienen mangos de madera o
plástico que se sujetan a las hojas metálicas mediante
sujetadores; (b) las cacerolas y sartenes para cocina tienen
asas y perillas de metal, madera o plástico, que se sujetan a
ellas por diversos métodos, y (c) la goma para borrar de un
lápiz común se sujeta con un manguito de latón.

A mayor escala, observamos cómo se ensamblan y unen los
numerosos componentes de computadoras, motocicletas,
lavadoras, herramientas eléctricas y aeroplanos, de manera que
puedan funcionar en forma confiable y que sea económico
producirlos. Como se muestra en la tabla I.1, una podadora de
pasto tiene unas 300 partes y un piano de cola 12,000 partes.
Un aeroplano de transporte C-5A posee más de 4 millones de
partes y un avión Boeing 747-400 más de 6 millones de partes.
Un automóvil común cuenta con 15,000 componentes, algunos
de los cuales se muestran en la figura VI.1.

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Procesos Basicos de Sujeción y Ensamble

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Unión es un término que incluye todo; cubre procesos como
soldadura, soldadura fuerte, soldadura blanda, unión con
adhesivos y sujeción mecánica. Estos procesos son un
aspecto fundamental e importante de las operaciones de
manufactura y ensamble, debido a una o más de las siguientes
razones:
• Es casi imposible manufacturar productos que tengan una
sola pieza, incluso un producto relativamente simple.
Considérese, por ejemplo, la construcción tubular mostrada en
la figura VI.2a. Supongamos que cada uno de los brazos de
este producto mide 5 m (196.85 pulgadas) de largo, los tubos
tienen 100 mm (4 pulgadas) de diámetro y el espesor de pared
es 1 mm (0.04 pulgada).

Adaptado por:
Después de revisar todos los procesos de manufactura
descritos con anterioridad, concluiríamos que sería imposible o
no económico manufacturar este producto como una sola
pieza.
• Es más económico manufacturar el producto (por ejemplo,
una cacerola de cocina con un asa) como componentes
individuales, que después se ensamblan.
• En el caso de productos como los motores de automóvil,
secadoras para el cabello e impresoras, es necesario
diseñarlos de manera que se puedan desarmar para darles
mantenimiento o reemplazar sus partes.

• Para propósitos funcionales del producto, es posible que
sean deseables diferentes propiedades. Por ejemplo, las
superficies sujetas a fricción, desgaste, corrosión o ataque
ambiental, por lo general requieren características que difieren
de manera significativa de las del resto del componente. Como
ejemplos tenemos: (a) las brocas para concreto con puntas de
carburo soldadas al zanco de la broca (fig. VI.2b); (b) las
zapatas para frenos automovilísticos, y (c) los discos de
rectificado aglutinados sobre un metal de soporte.
• El transporte del producto en forma de componentes
individuales y su ensamble posterior en la casa o planta del
cliente pueden ser más fáciles y menos costosos que el
transporte del producto completo.

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La mayoría de las bicicletas, juguetes grandes, anaqueles de
metal o madera y máquinas herramienta y prensas se
ensamblan después de haberse transportado al sitio apropiado
los componentes o subensambles.
Aunque existen diferentes formas de clasificar la amplia
variedad de procesos de unión disponibles, seguiremos la
clasificación de la American Welding Society (AWS).

Por lo tanto, los procesos de unión caen dentro de tres
categorías principales (ver figs.VI.3 y I.7f):
• Soldadura
• Unión con adhesivos
• Sujeción mecánica
En la tabla VI.1 se indican las características generales de
diversos procesos de unión.
A su vez, los procesos de soldadura se clasifican por lo general
en tres categorías básicas:
• Soldadura por fusión
• Soldadura de estado sólido
• Soldadura fuerte y soldadura blanda

Adaptado por:
Como se verá posteriormente, algunos tipos de procesos de
soldadura pueden clasificarse tanto en la categoría de fusión
como en la de estado sólido.
La soldadura por fusión se define como la fusión conjunta y
coalescencia de materiales por medio de calor, comúnmente
provisto por medios químicos o eléctricos. Pueden utilizarse o
no metales de aporte. La soldadura por fusión comprende
los procesos de soldadura por arco con electrodo consumible y
no consumible, y soldadura por haz de alta energía. La unión
soldada sufre importantes cambios metalúrgicos y físicos, que
a su vez tienen un efecto importante en las propiedades y el
desempeño del componente o la estructura soldada. En la
figura VI.4 se muestran algunas uniones simples soldadas.

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En la soldadura de estado sólido, la unión se efectúa sin
fusión. En consecuencia, no existe fase líquida (fundida) en la
unión. Los procesos básicos en esta categoría son la unión por
difusión y la soldadura en frío, ultrasónica, por fricción, por
resistencia y por explosión. La soldadura fuerte utiliza
metales de aporte e implica temperaturas menores que en la
soldadura por fusión. La soldadura blanda también usa
metales similares de aporte (aleaciones para soldadura blanda)
e implica temperaturas aun menores.

La unión con adhesivos tiene aplicaciones únicas que
requieren resistencia, sellado, aislamiento térmico y eléctrico,
amortiguamiento de vibraciones y resistencia a la corrosión
entre metales diversos. La sujeción mecánica implica
métodos tradicionales que usan diferentes sujetadores, en
particular pernos, tuercas y remaches. La unión de los
plásticos se puede lograr mediante la unión con adhesivos,
fusión por diversas fuentes externas o internas de calor, y
sujeción mecánica.
Los procesos de manufactura se dividen en dos tipos básicos:
1) las operaciones del proceso, y 2) las del ensamblado. Una
operación del proceso hace que un material de trabajo pase de
un estado de acabado a otro más avanzado que está más cerca
del producto final que se desea. Se agrega valor cambiando la
geometría, las propiedades o la apariencia del material de
inicio.

En general, las operaciones del proceso se ejecutan sobre
partes discretas del trabajo, pero algunas también son
aplicables a artículos ensamblados.
El segundo tipo básico de operaciones de manufactura es el
ensamblado, en el que dos o más piezas separadas se unen
para formar una entidad nueva, llamada ensamble,
subensamble o algún otro término que se refiera al proceso de
unión (por ejemplo, un ensamble soldado se denomina
soldadura).
Dichos componentes se conectan ya sea en forma permanente
o semipermanente. Los procesos de unión permanente
incluyen la soldadura homogénea, soldadura fuerte, soldadura
blanda, y unión mediante adhesivos. Forman una unión de
componentes que no puede separarse con facilidad.

Los métodos de ensamblado mecánico existen para sujetar
dos (o más) partes en una pieza que se puede desarmar a
conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros sujetadores
mecánicos, son métodos tradicionales importantes de esta
categoría. Otras técnicas de ensamblado mecánico que forman
una conexión permanente incluyen los remaches, ajustes de
presión y ajustes de expansión.
En el ensamble de productos electrónicos, se emplean
métodos de unión y sujeción especiales. Algunos de los
métodos son idénticos a los procesos anteriores o
adaptaciones de éstos, por ejemplo, la soldadura blanda. El
ensamblado electrónico se relaciona en primer lugar con el
ensamble de componentes tales como paquetes de circuitos
integrados a tarjetas de circuitos impresos, para producir los
circuitos complejos que se utilizan en tantos productos de la
actualidad.

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Diseño para manufactura, ensamble,
desensamble y servicio
El diseño y la manufactura nunca deben verse como
actividades separadas. Cada parte o componente de un
producto debe diseñarse para satisfacer los requisitos y
especificaciones de diseño y para manufacturarse
económicamente.
El diseño para manufactura (DFM) es un método completo de
producción de bienes e integra el proceso de diseño con
materiales, métodos de manufactura, planeación de procesos,
ensamble, prueba y aseguramiento de la calidad.

Los diseñadores y los ingenieros de producto deben ser
capaces de evaluar el impacto de las modificaciones del diseño
en la selección del proceso y en el ensamble, inspección,
herramientas y matrices, así como en el costo del producto.
Establecer relaciones cuantitativas es fundamental para
optimizar el diseño, a fin de facilitar la manufactura y el
ensamble del producto a un costo mínimo. Los sistemas
expertos (ES), que tienen capacidad de optimización y por lo
tanto pueden agilizar el proceso iterativo tradicional en la
optimización del diseño, son poderosas herramientas para
dicho análisis.
Los componentes individuales manufacturados tienen que
ensamblarse en un producto. El ensamble es una fase
importante de la operación de manufactura y requiere que se
consideren la facilidad, la rapidez y el costo de juntar las partes
(fig. I.5).

Además, los productos deben diseñarse para que también sea
posible el desensamble, a fin de desarmar el producto con
relativa facilidad para mantenimiento, servicio y reciclamiento
de sus componentes.
Debido a que las operaciones de ensamble pueden contribuir
significativamente al costo del producto, el diseño para
ensamble (DFA) y el diseño para desensamble son
aspectos importantes de la manufactura. Un producto que se
puede ensamblar fácilmente también se debe desensamblar
fácilmente. Importantes desarrollos posteriores incluyen el
diseño para servicio, cuya meta es tener fácil acceso a las
partes individuales o a los subensambles de un producto
para darles servicio.

Existen metodologías y software para computadora para el DFA
que utilizan diseños conceptuales y modelos sólidos en tres
dimensiones (3-D). Así, se minimizan los tiempos y los costos
de los subensambles y ensambles mientras se mantienen la
integridad y el desempeño del producto; el sistema también
mejora la facilidad de desensamble del mismo. Un resultado
natural de estos desarrollos es el diseño para manufactura
y ensamble (DFMA), que reconoce la relación inherente
entre la manufactura de los componentes y su
ensamble como producto final.
Existen varios métodos de ensamble (por ejemplo, el uso de
sujetadores o adhesivos, o mediante soldadura, soldadura
blanda o fuerte), cada uno con sus propias características y
requiriendo diferentes operaciones.

Por ejemplo, el uso de un tornillo y una tuerca requiere la
preparación de los orificios, cuya ubicación y tamaño deben
coincidir. A su vez, la producción de los orificios requiere
operaciones como el taladrado o punzonado, que necesitan
tiempo adicional y operaciones independientes, y que también
producen desperdicios. Por otro lado, los productos
ensamblados con tornillos y tuercas se pueden desarmar y
reensamblar con relativa facilidad.
Las partes individuales se pueden ensamblar a mano o
mediante equipo automático y robots. La elección depende de
factores como la complejidad del producto, el número de
partes por ensamblar, el cuidado y la protección requerida para
evitar el daño o rayado de las superficies terminadas de las
partes, y el costo relativo de la mano de obra, comparado con
el de la maquinaria exigida para el ensamble automatizado.

Sujeción mecánica
Quizá tengan que unirse o sujetarse dos o más componentes
de modo que se puedan separar en algunas ocasiones durante
la vida útil o ciclo de vida del producto. Diversos productos
(incluyendo los lápices mecánicos, relojes de pulsera,
computadoras, aparatos eléctricos, motores y bicicletas) tienen
componentes que se sujetan mecánicamente. Tal vez se
prefiera la sujeción mecánica sobre otros métodos por las
siguientes razones:
• Facilidad de manufactura.
• Facilidad de ensamble y transporte.
• Facilidad de desensamble, mantenimiento, reemplazo de
partes o reparación.
• Facilidad para crear diseños que requieren uniones móviles,

como bisagras, mecanismos de deslizamiento y componentes,
y accesorios ajustables.
• Costo general inferior por manufactura del producto.
El método más común de sujeción mecánica es el uso de
tornillos, tuercas, pernos, pasadores y otras variedades de
sujetadores; estas operaciones también se conocen como
ensamble mecánico. Por lo general, la sujeción mecánica
requiere que los componentes tengan orificios a través de los
cuales se inserten los sujetadores. Estas uniones se pueden
someter a esfuerzos cortantes y de tensión, y deben diseñarse
para resistir estas fuerzas.
Preparación de los orificios. Un aspecto importante de la
sujeción mecánica es la preparación de los orificios.

un orificio en un cuerpo sólido se puede producir mediante
diversos métodos, como troquelado, taladrado, medios
químicos y eléctricos, y haces de alta energía. La selección del
método depende del tipo de material, sus propiedades y
espesor. Recuérdese que los orificios también se pueden
producir integralmente en el producto durante la fundición,
forjado, extrusión y metalurgia de polvos. Para mejorar la
precisión y el acabado superficial, muchas operaciones de
producción de orificios pueden ir seguidas de operaciones de
acabado, como rasurado, rebabeo, escariado y honeado.
Sujetadores roscados. Los pernos, tornillos y tuercas se
encuentran entre los sujetadores roscados de uso más común.
En el proximo capítulo se describen diversos estándares y
especificaciones (incluyendo dimensiones de las roscas,
tolerancias dimensionales, paso,

resistencia y calidad de los materiales usados para fabricar
estos sujetadores). Los pernos y tornillos se pueden asegurar
con tuercas, o pueden ser de autorroscado, en el que el tornillo
corta o forma la rosca en la parte a sujetar. El método de
autorroscado es muy efectivo y económico en productos de
plástico en los que la sujeción no exige un orificio
machueleado o una tuerca.
Remaches. El método más común de uniones mecánicas
permanentes o semipermanentes es por remachado (fig. 32.14).
Se pueden utilizar cientos de miles de remaches en la
construcción y el ensamble de un avión comercial grande.
Pueden ser sólidos o tubulares. La instalación de un remache
sólido implica dos pasos: la colocación del remache en el
orificio (por lo general, troquelado o taladrado) y la deformación
del extremo de su vástago por recalcado (cabeceado).

Los remaches huecos se instalan abocardando su extremo más
pequeño. Se pueden colocar explosivos en el interior de la
cavidad del remache y detonarlos para expandir el extremo de
éste. El remachado se puede realizar a temperatura ambiente o
elevada. También es posible efectuar esta operación por
medios manuales o mecanizados, incluyendo el uso de robots
programables. En la figura 32.15 se ilustran algunos
lineamientos de diseño para el remachado.

Economía de las operaciones de unión
Como en la economía de las operaciones de soldadura
convencional, los procesos de unión descritos en este capítulo
también dependen en gran medida de diversas
consideraciones. Si se revisa la tabla VI.1, se puede observar
que, en términos relativos, la distribución de costos de algunos
de estos procesos es de la siguiente manera:
• Los más altos: soldadura fuerte, tornillos, tuercas y otros
sujetadores.
• Intermedios: remachado y unión con adhesivos.
• Bajos: engargolado y plegado.
Debido a la variedad de procesos comprendidos, a
continuación se describen brevemente los costos generales
implicados.

Soldadura fuerte
• Soldadura fuerte manual: el equipo básico tiene un costo
aproximado de $300 dólares, pero puede ser hasta de
$50,000 dólares para sistemas automatizados.
• Soldadura fuerte en horno: los costos varían ampliamente,
desde alrededor de $2000 dólares para hornos simples por
lotes, hasta $300,000 dólares para hornos de vacío continuo.
• Soldadura fuerte por inducción: para pequeñas unidades, el
costo es de unos $10,000 dólares.
• Soldadura fuerte por resistencia: los costos del equipo son
de $1000 dólares para unidades simples hasta $10,000
dólares para unidades más grandes y complejas.
• Soldadura fuerte por inmersión: el costo del equipo varía

Adaptado por:
ampliamente, de $2000 a $200,000 dólares; el equipo más
costoso incluye diversas características de control por
computadora.
• Soldadura fuerte infrarroja: el costo del equipo va de $500
dólares a $30,000 dólares.
• Soldadura fuerte por difusión: el costo del equipo va de
$50,000 hasta $300,000 dólares.
Soldadura blanda.
El costo del equipo de soldadura blanda depende de su
complejidad y del nivel de automatización. El costo es de
menos de $100 dólares para cautines manuales de soldadura
blanda, hasta $50,000 dólares para equipo automatizado.

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